Modèle de la « résistance de Starling »

Le pharynx peut être considéré comme un tube souple et les facteurs qui déterminent son calibre pendant le sommeil ressemblent à ceux qui régulent le calibre de n’importe quel tube collabable (Dempsey et al. 2010). De ce fait, le modèle de la « résistance de Starling » peut être utilisé pour étudier la relation entre le débit, la pression prétissulaire et la pression intraluminale des VAS (A. R. Schwartz et al. 1989; Dempsey et al. 2010).

La résistance de Starling est constituée d’un tube collabable monté dans une chambre hermétique remplie d’air, dans laquelle la pression peut être modifiée. Le tube se raccorde entre deux segments rigides, les fosses nasales en amont, l'arbre trachéobronchique en aval, avec un diamètre fixe (Figure 4-2). La résistance Starling peut prédire que le gradient entre la pression en amont (Pus) et la pression autour des VAS (Pout) détermine la sévérité d’obstruction aux VAS, qui est reflétée par le niveau du débit maximal (V’max) (A. R. Schwartz et al. 1988; Alan R. Schwartz and Smith 2013).

Figure 4-2 Modèle de la « Résistance de Starling» (Dempsey et al. 2010). Le modèle consiste d’un segment collabable (le pharynx) interposé entre deux segments rigides (en amont et en aval). Ce modèle nous permet d’étudier la relation entre le débit, les pressions en amont (Pus) et en aval (Pds), la pression intraluminale (Pin) et la pression chambre qui entourne le tube (Pout).

i. Caractéristiques débit-pression en amont des VAS

D’après le modèle, le niveau d’ouverture du tube peut être déterminé par la pression transmurale qui est égale à la différence entre la Pout qui entoure le tube et la Pus :

Ptransmurale=Pus-Pout Equation 4-1

La Pout correspond à la pression prétissulaire dans la partie souple de la VAS humaine, et la Pus est la pression nasale.

La relation entre le débit maximal intra-cycle (V’max intra) et la pression transmurale de la résistance de Starling de notre banc d’essai est affichée dans la Figure 4-3A. Nous remarquons que lorsque la pression transmurale est égale à -3 cmH2O, les VAS passent de l’obstruction, i.e., apnée, à l’ouverture partielle, i.e., hypopnée. La pression nasale qui correspond à cette transition s’appelle pression critique d’occlusion (Pcrit), et elle mesure la collapsibilité des VAS : plus la pression critique est élevée, plus la collapsibilité pharyngée augmente.

Aussi, la pression effective en amont (Peff us) est définie comme la pression nasale au dessus de laquelle les VAS sont complètement ouvertes, i.e., la respiration est normale. Entre la Pcrit et la Peff us, la VAS est sous les conditions de limitation de débit (Patil et al. 2004) (Figure 4-3B). Sur notre banc

d’essai, nous pouvons faire varier la Pcrit et la Peff us via la Pout afin de modifier la sévérité de l’obstruction. Cependant, la pente de la courbe V’max-Pus est déterminé par la résistance en amont (Rus) des VAS (Farré, Montserrat, and Navajas 2008).

A.

Figure 4-3 Le débit maximal vs. la pression nasale : mesure sur banc d’essai vs. courbe théorique.

A). Le débit maximal en fonction de la pression transmurale (Ptrans) du banc d’essai. Ptrans = Pus -Pout. D’après cette mesure, la voie aérienne supérieure (VAS) est obstruée lorsque la Ptrans ≤ -3 cmH2O ; la VAS est totalement ouverte et le débit atteint maximum lorsque la Ptrans ≥ 2 cmH2O. La pression critique de fermeture (Pcrit) = Pch-3 ; Pression effective (Peff us) = Pout+2. Dans notre cas, une apnée correspond à la Pout

= 9 cmH2O. Donc la Pcrit et la Peff us = 6 et 11 cmH2O respectivement. B) courbe théorique du débit max vs. Pression nasale (Patil et al. 2004). Cette courbe indique 3 états de la VAS en fonction de Pus : obstruée (segment A) ; débit limité (segment B) et complètement ouverte (segment C).

B.

Indépendamment de la Pcrit qui quantifie la collapsibilité de la VAS, la Rus décrit la difficulté pour parvenir à l’ouverture complète de la VAS après son ouverture partielle (Farré, Montserrat, and Navajas 2008). Dans les conditions de limitation de débit, le V’max est proportionnel à la Pus, i.e., la pression au masque, et la 1/Rus est la pente de la pression-débit (Patil et al. 2004; Farré, Montserrat, and Navajas 2008). Dans la littérature, la résistance de la VAS augmente significativement pendant le sommeil chez l’homme, de 1-2 cmH2O·s·L^-1 à 5-10 cmH2O·s·L^-1, et peut atteindre 50 cmH2O·s·L^-1 chez les ronfleurs sévères (Ayappa and Rapoport 2003). La Rus de notre banc d’essai est environ de 15 cmH2O·s·L^-1 (Figure 4-3A).

En pratique, la Pcrit mesurée chez les sujets normaux est très négative par rapport à celle des patients SAHOS (Gleadhill et al. 1991; Gold and Schwartz 1996; Ayappa and Rapoport 2003; Farré,

Montserrat, and Navajas 2008). Chez les sujets sains, la Pcrit < -10 cmH2O ; chez les ronfleurs, la Pcrit

est entre -10 et -5 cmH2O ; chez les patients qui ont des hypopnées obstructives, la Pcrit est entre -5 cmH2O et 0 cmH2O ; cette pression est positive chez les patients apnéiques (Dempsey et al. 2010). Pour notre simulation, la Pcrit est égale à -11 cmH2O pendant la respiration normale et 6 cmH2O pendant les apnées obstructives respectivement.

ii. Caractéristiques débit-pression en aval des VAS

Dans la littérature, le modèle de la résistance de Starling conditionne un comportement spécifique du tube collabable, qui se traduit par le fait que le débit est limité à une valeur maximale lorsque la pression en aval (Pds) des VAS devient inférieure à la Pcrit. Cette limitation de débit est caractérisé par une montée de débit inspiratoire à un niveau maximal suivi par un plateau du même niveau malgré de l’augmentation d’effort inspiratoire (Figure 4-4). Le débit ne dépend pas de la pression en aval mais exclusivement de la pression en amont (Pus) et de la pression autour du tube collabable (Pout) (A. R. Schwartz et al. 1989; Krieger et al. 1998; Ayappa and Rapoport 2003; Alan R. Schwartz and Smith 2013).

Figure 4-4 Caractéristiques débit - pression aval du tube collabable (Condos et al. 1994). Lorsque le tube

est ouvert, le débit augmente de la façon linéaire avec l’augmentation de la Pds. Lorsque le tube est partiellement obstrué (limitation de débit), le débit augmente à une valeur maximale et puis reste à constant et indépendant de la Pds.

En clinique, certains patients SAHOS présentent une limitation de débit dont la forme ressemble à celle prédite par le modèle de la résistance de Starling. Cependant, chez certains, le débit inspiratoire diminue avec l’augmentation de l’effort inspiratoire au milieu de l’inspiration (Figure 4-5 B-D) (Owens et al. 2014; Wellman et al. 2014). Ce phénomène s’appelle la dépendance d’effort négatif (DEN, negative effort dependence, NED en anglais), qui est décrit par une forme de débit avec un pic initial et suivi par une diminution pendant l’inspiration à cause de la Pds négative (Owens et al. 2012; Butler et al. 2013a; Owens et al. 2014; Wellman et al. 2014).

D.

Figure 4-5 Exemples de formes de débit constatées chez les patients et comparaison des formes de débit entre les cas de la résistance de Starling et de la DEN (Owens et al. 2012; Owens et al. 2014). A : la forme

du débit possède les caractéristiques de la résistance de Starling. Le débit maximal reste une valeur constante malgré que la pression epiglottique continue à descendre. B : la DEN intra-cycle est présente. Notez que le débit du sommet au début d’inspiration reste une valeur constante malgré que la pression épiglottique continue à descendre. C : la DEN inter-cycle est présente. Notez que le débit du sommet au début d’inspiration diminue avec la pression épiglottique. D : Comparaison des formes du débit entre le cas de DEN et celui prédit par le modèle de résistance de Starling.

Récemment, le groupe de Bulter et Wellman a argumenté que les VAS ne se comportent pas comme une résistance Starling car ce modèle ne peut pas prédire la DEN présente chez certains patients (Butler et al. 2013a; Butler et al. 2013b; Owens et al. 2014; Wellman et al. 2014).

En fait, les hypopnées obstructives simulées lors de l’évaluation des machines de PPC autopilotée possèdent une forme de débit inspiratoire de DEN (voir Figure 2 d’Article 1), qui ressemble à celle présente dans la Figure 4-5C.

Figure 4-6 montre les détails des hypopnées obstructives simulées pour le débit et les pressions en amont et en aval des VAS. Pendant l’inspiration, après un pic de débit (Figure 4-6 A-I le pic entre les moments a et b) une diminution de la Pds qui atteint environ -70 cmH2O est accompagnée par une chute significative de débit à zéro (Figure 4-6 A-I), signifiant que la VAS est complètement occluse au milieu de l’inspiration (Figure 4-6 C). Les courbes débit-pression démontrent que les résistances en amont et en aval des VAS atteignent des valeurs maximales lors d’apparition du plateau de débit (Figure 4-6 I, moment c). Après ce plateau, le débit remonte à nouveau (pic terminal, Figure 4-6 A-I, flèche orange) lorsque la Pds revient à valeur initiale. Les relations entre le débit et les pressions en amont et en aval des VAS avec le temps sont montrées dans la Figure 4-6 B.

Des tests supplémentaires sur banc d’essai ont été effectués afin d’obtenir une idée générale sur la DEN et sa relation débit-pression. La VAS est soumise à une pression constante (Pout) égale à 10 cmH2O, et le niveau d’occlusion passe d’une occlusion totale à une ouverture complète avec une transition par de la limitation de débit, en faisant varier la pression en amont (Pus) de 5 cmH2O à 20 cmH2O avec incrément d’1 cmH2O. A chaque niveau d’occlusion, en augmentant l’effort inspiratoire (Pmus) d’1 à 20 cmH2O, les évolutions de la forme de débit et de la pression en aval (Pds) sont enregistrées.

A. I. Inspiration

II. Expiration

B. I. II.

C.

a.

Figure 4-6 Débit, pression et la morphologie du modèle de résistance de Starling pendant une limitation de débit avec DEN.

A: courbes débit-pression trachéale/masque pendant inspiration (I) et expiration (II). B : courbes débit-temps-pression masque (I) et débit-temps-pression trachéale (II); C : La morphologie du tube aux moments indiqués sur les courbes de débit au panel A. La résistance en amont a augmenté pendant l’inspiration (A-I ; moment a-c) à cause de la diminution de la Pds. Aussi, nous pouvons constater que le tube est restreint avec la diminution de la Pds (C ; du moment a à c).

b.

c.

La Figure 4-7 montre l’évolution des formes de débit et de Pds pendant un cycle respiratoire avec un effort inspiratoire d’1 à 20 cmH2O. Notez que cet exemple a été enregistré avec Pus et Pout égalent à 12 et 10 cmH2O respectivement. Dans cette condition, on constate que 1) le débit maximal intra-cycle (V’max intra) augmente avec une diminution de la Pds à une valeur maximale et puis reste à constant et indépendant de la Pds. Ce débit maximal correspond au « débit maximal inter-cycle » (V’max inter) ; 2) la baisse de débit inspiratoire au milieu de l’inspiration apparaît avec une Pds supérieure à celle qui correspond au V’max inter. Autrement dit, la DEN peut apparaître avec une Pds importante; 3) plus important le niveau de DEN, plus la Pds est élevée, plus le niveau de DEN est important.

Figure 4-7 Evolution des formes de débit et de Pds avec l’effort inspiratoire de 1 à 20 cmH2O. Notez que la

En variant la Pus de 5 à 20 cmH2O, on obtient la relation entre V’max intra, Pus et Pds qui est affichée dans la Figure 4-8. Sur le plan V’max intra – Pus (Figure 4-8 A), on note que la Pcrit est autour de 7 cmH2O quelle que soit la baisse de pression en aval des VAS (ΔPds). Cette Pcrit est concordante avec celle présentée plus haut dans la Figure 4-3A. Néanmoins, la pression effective en amont (Peff us) varie avec ΔPds : plus la ΔPds est importante, plus la Peff us est élevée (Figure 4-8 A et C). Ainsi, la résistance en amont (Rus) est plus élevée avec une ΔPds importante. Si on regarde le plan V’max intra – Pds (Figure 4-8 B), le V’max intra augmente à une valeur maximale qui correspondant au V’max inter, puis reste constant et devient indépendant de la ΔPds. On note aussi que plus la Pus est élevée, plus le V’max inter est important (Figure 4-8 B et C).

Figure 4-8 Relation entre V’max intra, Pus et la baisse de Pds (ΔPds) de la résistance de Starling du banc d’essai.

Notez que la pression soumise aux VAS (Pout)= 10 cmH2O.

A : Plan V’max intra- Pus . Noter que la Pression critique d’occlusion (Pcrit) est autour de 7 cmH2O qui est indépendante de ΔPds . Cependant, la pression thérapeutique effective (Peff) varie avec ΔPds. Plus la ΔPds est importante, plus la Peff est élevée.

B : Plan V’max intra- Pds . Remarquer que V’max intra est indépendant de ΔPds après une valeur maximale (V’max inter). Plus la Pus est élevée, plus le V’max inter est important.

C : Plan V’max intra- ΔPds .avec différentes Pus. La ligne rouge indique les valeurs de Pus et de ΔPds avec lesquelles le V’max inter est atteint sans limitation de débit. Zone 1 : débit normalisé ; Zone 2 : limitation de débit et apnée. La DEN apparaît dans la Zone 2.

Sur le plan Pus - ΔPds, on peut tracer une ligne droite qui correspond aux ΔPds minimales pour V’max inter à chaque valeur de Pus (Figure 4-8 E). Cette ligne divise le plan en deux zones : la zone de débit normalisé et la zone de limitation de débit. La DEN apparaît dans cette dernière.

D’après Schwartz et Smith (Alan R. Schwartz and Smith 2013), dans les conditions de la limitation de débit, la Pcrit remplace la Pds et elle est considérée comme la pression effective en aval (Peff ds). A partir du plan V’max inter - Pds - Pus (Figure 4-9), on remarque que cette Peff ds monte légèrement avec l’augmentation de la Pus, entre 5 et 10 cmH2O dans notre cas.

Figure 4-9 : Plan V’max intra – Pus – Pds.

Noter que la Peff ds monte légèrement avec l’augmentation de la Pus, entre 5 et 10 cmH2O.

Le débit inspiratoire peut diminuer au milieu de l’inspiration après le pic qui correspond au V’max intra, et présenter un plateau dû à la DEN. La Figure 4-10 montre les plans débit- ΔPds pendant un cycle de respiration avec différentes Pus. La DEN apparaît lorsqu’on augmente la ΔPds sous condition que le V’max inter soit atteint, i.e., de la limitation de débit. Lorsque la Pus <7 cmH2O, le débit est égal à 0 pendant tout le cycle respiratoire quelle que soit la Pds pour les apnées obstructives. Lorsque la 7 cmH2O ≤ Pus < 9 cmH2O, la pression d’amont atteint la Pcrit donc le débit apparaît mais reste très bas, i.e., hypopnée sévère. Ici on remarque que le débit peut diminuer au milieu de l’inspiration pour la ΔPds qui est autour de -3 cmH2O. A partir de la Pus=9 cmH2O, on voit bien l’augmentation initiale de débit avec diminution de la Pds. Après l’atteinte du V’max inter, on continue à diminuer la Pds, et la DEN devient plus visible. La chute de débit au milieu d’inspiration est plus élevée lorsque la ΔPds est plus importante (Exemples : Figure 4-10, Pus = 11 et 12 cmH2O).

Figure 4-10 Plans débit- ΔPds pendant un cycle de respiration avec différentes Pus (=mask pressure). La dépendance d’effort négatif est présentée. Par exemple, dans les cas de Pus = 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, on remarque que le débit diminue au milieu de l’inspiration après le V’max intra. Notez que la plage de la ΔPds est limitée pour les cas de Pus élevée en raison de la limite du volume de l’ASL5000. Notez que la pression soumise aux VAS (Pout)= 10 cmH2O.

On cherche à comprendre la relation entre la DEN et la Pds. La DEN est calculée en pourcentage de la baisse du débit par rapport au V’max intra (Owens et al. 2014; Genta et al. 2014; Wellman et al. 2014). Le plan DEN-Pus-Pds (ΔPds) calculé est affiché dans la Figure 4-11. La DEN = 0 pour les Pds en dessus de 7 cmH2O. Cette zone en couleur bleu foncé dans la Figure 4-11A correspond aux cycles de respiration sans DEN. En comparant les plans de DEN (Figure 4-11 B) et de V’max intra (Figure 4-8C), on remarque que la zone en bleu foncé regroupe une partie de la limitation de débit sans DEN (zone 3 dans la Figure 4-11C), i.e., le cas « Starling Resistor » présenté dans la Figure 4-5A. Les trois zones présentent respectivement la respiration normalisée (Zone 1), la limitation de débit avec DEN (Zone 2, exemples dans la Figure 4-5B et C) et la limitation de débit sans DEN (Zone 3, exemple dans la Figure4-5A). On note aussi que quelque soit la Pus, la DEN dépasse 0 quand la Pds descend à environ 7 cmH2O (Figure 4-11 C), qui correspond à la Pcrit. Plus la Pds diminue, plus la DEN augmente (Figure 4-11C).

A

Figure 4-11 Plan DEN- Pds et la baisse de Pds (ΔPds) avec différentes Pus.

Notez la pression soumise aux VAS (Pout)= 10 cmH2O.

A : Plan DEN-Pds. Dans la condition de limitation de débit (Pus>Pcrit), on constate que plus baisse est la Pds, plus élevée la DEN. Elle ne dépend pas de la Pus. Notez que la DEN apparaît lorsque la Pds est autour de Pcrit qui est égale à 7 cmH2O.

B : Plan DEN-ΔPds.

C : Superposer les plans DEN- ΔPds et V’max intra- ΔPds. On reprend les zone 1 et 2 indiquées dans la Figure 4-8 C qui représentent la zone de la respiration normalisée (Zone 1) et la zone de limitation de débit et d’apnée (la partie reste). La zone 3 se sépare de cette zone qui représente la limitation de débit sans DEN qui est le cas A dans la Figure 4-5.

B

C

Dans le cas de la résistance de Starling présenté dans la littérature (limitation de débit sans DEN, Figure 4-5), à partir du moment où la Pds est proche de la Pcrit, le débit inspiratoire n’augmente plus même lorsque la Pds continue à baisser. Le débit maximal dépend exclusivement de la Pus (A. R. Schwartz et al. 1989; Alan R. Schwartz and Smith 2013).

Ce phénomène peut être expliqué par « l’effet de chute d’eau » (waterfall effect), qui décrit l’équilibre instable entre la pression amont du segment collabé (Pus collap) et la Pds autour de la Pcrit. Lorsque Pds diminue et atteint Pcrit, la VAS tend à se collaber. Cette tendance entraine une augmentation de la Pus collap supérieure à Pcrit, et la VAS s’ouvre à nouveau et permet d’établir la communication entre amont et aval du segment collabé (Krieger et al. 1998). Le débit donc peut être donné par la formule suivant qui ressemble à la loi de Poiseuille:

^{Equation 4-2}

Equation 4-3

Dont t1 et t2 représentent le début et la fin de la période pendant laquelle la Pds≤Pcrit. Pus collap

correspond à la pression du coté amont du site du collapsus à l’intérieur des VAS. Pus et Rus sont des valeurs constantes.

Néanmoins, les formules 4-2 et 4-3 ne peuvent expliquer que les parties de t≤t1 et t≥t2 dans un cycle respiratoire où la DEN est présente. Plusieurs hypothèses ont été proposées dans la littérature pour tenter à donner des explications à ce phénomène (Elliott and Dawson 1977; A. H. Shapiro 1977; Butler et al. 2013a; Wellman et al. 2014), dont plusieurs sont basées sur le concept de la loi de tube « locale ». Ces hypothèses stipulent que l’aire transversale du tube dépend de la pression transmurale locale au tube (Butler et al. 2013a). D’après l’Equation 4-2, vu que la Pus et la Pus collap, égale à la Pcrit, sont des valeurs constantes pendant la limitation de débit, la DEN ne peut être due à l’augmentation de la Rus, comme dans le cas montré à la Figure 4-6 A-I. Cet exemple est repris dans la Figure 4-12.

Figure 4-12 Exemple d’un cycle respiratoire avec la DEN : V’-Pds ; V’-t et V’-Pus.

On remarque que l’évolution des résistances en amont et en aval des VAS sont similaires. En aval, lorsque t<t1 et t>t2, la résistance est une valeur constante. Entre t1 et t2, cette résistance augmente et atteint maximale au moment c, où la VAS se collabe entièrement. En amont, la résistance évolue de manière similaire et atteint le maximum entre t1 et t2.

Dans cet exemple, les résistances en amont et en aval des VAS évoluent de manière similaire pendant le cycle : elles deviennent plus importantes pendant la période entre t1 et t2, et atteignent un maximum au moment c (Figure 4-12). A cause du collapsus, le compartiment amont du site de collapsus est séparé du compartiment aval, et la pression locale amont, Pus collap, reste autour ou légèrement supérieure à la Pcrit en raison du collapsus (Figure 4-12 Pus). La pression aval du site de collapsus chute avec la Pds et diminue l’aire du tube à cause de la loi de tube. Les Rus et Rds sont donc augmentées et entrainent la DEN. Dès que la Pds remontre à la Pcrit , i.e., t≥t2, le collapsus disparaît et les deux résistances reviennent aux valeurs constantes égales à celles au début de cycle, i.e., t≤t1. Cet exemple montre que le cas où la chute de la Pds qui entraine une augmentation très importante de la Rus

ne peut pas s’appliquer au modèle de « chute d’eau ».

Les résultats dont on a discuté dans ce sous-chapitre nous permettent de connaître plus